GD070 66年 开发宇宙 5全 10.00

    飞出地球

    千百年来，人类一直向往能插上翅膀，飞出地球，探索宇宙的奥秘。在古代，嫦娥奔月的神话表达了人们飞向月球的愿望。 李白曾在诗中写道："俱怀逸兴壮思飞，欲上青天览日月"。 但是，当时科学技术落后，脱离地球的引力束缚去太空旅行只是一个难圆的梦。

    斗转星移，岁月如梭。人类经过不断开拓进取和不懈努力，科技发展日新月异。1923年 H. 奥伯特论述火箭飞行原理的经典著作《飞往星际空间的火箭》出版，齐奥尔科夫斯基在1924年论述多级火箭的专著出版。火箭靠自身的燃料燃烧喷出气体的反作用力飞行。人类要进行星际探索，就必须借助于火箭。如果物体达到7.9千米/秒的速度，就可以围绕地球运行而不落下来，这时，它的离心力等于地球的引力。这个速度就是第一宇宙速度。如果速度达到11.2千米/秒，我们就称它为第二宇宙速度，可以摆脱地球引力束缚在太阳系内飞行，但不能摆脱太阳的引力控制。当速度大于16.7千米/秒的速度，就可以飞出太阳系了，这就是第三宇宙速度。

    1957年10月4日，前苏联第一颗人造卫星上天，拉开了人类航天时代的序幕。第一位进入太空的人，就是大名鼎鼎的前苏联宇航员加加林。1961年4月12日，他乘坐"东方号"宇宙飞船环绕地球飞行一圈，历时108分钟，写下了人类航天飞行的新篇章。

    月球是距离地球最近的天体(约38万公里)，是人类进行太空探险的第一站。前苏联1959年发射的月球2号探测器在月球着陆，这是人类的航天器第一次到达地球以外的天体。同年10月，月球3号飞越月球，发回第一批月球背面的照片。1970年发射的月球16号着陆于丰富海，送回地球100克月球土壤。

    美国人也不甘落后，在20世纪60年代开始了雄心勃勃的征服月球的"阿波罗"计划。 它的目的就是登上月球进行实地考察。在此之前的1961年到1967年间，9个"徘徊者"探测器, 7个"勘探者"探测器以及5个月球轨道器先后对月球进行考察。它们拍摄了照片并分析了月球的土壤，为登上月球做准备。 紧接着，"土星"5号运载火箭先后向月球发射了17艘"阿波罗"飞船。其中，"阿波罗"1－3号是试验用的飞船，4－6号是无人飞船，7号飞船载人绕地球飞行，8－10号载人绕月飞行，11号至17号是载人登月飞行。让我们来重温当时激动人心的场面吧！

    1969年7月16日，美国"阿波罗11号"飞船，载着阿姆斯特朗，奥尔德林和柯林斯三人在美国肯尼迪航天中心升空，飞向月球。到达了月球轨道后，由柯林斯驾驶飞船绕月飞行，而阿姆斯特朗和奥尔德林驾驶登月舱于7月20日在月面静海降落。阿姆斯特朗第一个登上月球。他说出了下面这段意味深长的话："对于一个人来说，这只是一小步； 但对人类来说，这是巨大的一步。"他们在月面上进行实地科学考察，并把一块金属纪念牌插上月球，上面镌刻着"公元1969年7月，来自行星地球上的人首次登上月球。我们是全人类的代表，我们为和平而来。"他们在月球上安装了测量月震的月震仪，采集了月球岩石和土壤。在完成月面考察任务以后，进入登月舱，离开月球回到月球轨道上的指令舱中，与柯林斯汇合后开始返回地球，完成了这一史无前例的航天飞行。在此之后，又有5次成功的登月飞行，宇航员们总共在月球上停留了约300小时，使人们对月球的认识大大加深了。

    1994年，美国发射了"克莱门汀"号无人驾驶飞船，对月球进行了新的地貌测绘，为在不久的将来建立月球基地和月基天文台作准备。

    1998年1月6日发射升空的"月球勘探者"，携带中子光谱仪探测氢原子。最终发现在月球两极的盆地底部存在水。

    人类对于未知世界的探索是永无止境的。人们并不满足于对月球的了解，目标又转向了太阳系中的大行星。我们先来介绍空间探测器对金星的考察。

    金星的半径、质量、密度等与地球接近，是地球的姐妹行星。人们对它的兴趣很大，然而，地面观测所得的资料比较贫乏，对金星的研究充满了未知数。航天器可以使人们了解它更多的信息。在经历了最初的几次探测器发射失败后，终于逐步揭开金星神秘的面纱。1962年美国发射的水手2号从距金星35000千米处飞过，实现了航天器首次飞越行星，同时发现了金星有400度的高温。1969年至1981年，前苏联的金星5号至14号探测器先后在金星表面着陆成功，执行了多项科学考察任务，包括拍摄金星表面照片、了解大气的成分、温度、压力等。美国1978年5月20日发射的先驱者－金星1号经过长途跋涉，于同年12月4日到达金星并围绕它飞行， 用雷达探测金星地形。先驱者－金星2号到达金星后放出4个探测器，在落向金星的过程中，了解大气、云层、磁场等数据。1989年美国发射的"麦哲伦号"探测器又运用综合孔径雷达对金星表面进行探测。这些探测使我们了解到金星的磁场很弱，表面气压是地球海面气压的90倍等情况。另外，一个有趣的现象是金星12号在距离金星表面10公里时探测到闪电，着陆后又多次记录到闪电。

    距离太阳最近的就是水星了。美国发射的"水手10号"飞船在考察了金星之后，3次飞临水星。它发现了水星的磁场和磁层， 探测了水星大气的主要成分是氦。飞船上的两个摄像机拍摄了多幅图象，揭示了水星地形，有大量的陨石坑和盆地。

    火星的名字"Mars"是战神的意思。它在天空中呈现红色，使人们联想到血和战争。火星很像地球，有坚硬的表面和四季的交替。当初人们用望远镜观测它时，发现了火星上的许多条纹，这些条纹曾经被人们认为是火星人挖掘的运河，同时它还拥有随四季变化的极冠。因此，人类对探测火星一直抱有浓厚的兴趣，希望在上面发现火星人。在人类进入航天时代以来，已经有20多艘飞船执行探测火星的任务了。星际探测是充满曲折的。1962年前苏联发射的"火星1号" 、"宇宙21号"和美国的"水手3号"均遭到了失败。然而失败是不能阻止人类探索大自然的脚步的。1964年1月28日发射的"水手4号"经过长途跋涉，于1965年7月14日在距离火星的一万公里高空掠过，获得了第一批火星照片。1974年，前苏联发射的"火星5号"宇宙飞船首次拍摄了火星的彩色照片。美苏又发射了绕火星运动的轨道器，更加详细地了解这颗行星的情况。

    "欲穷千里目，更上一层楼"。1976年，美国的海盗1号和海盗2号登陆器更进一步，分别在火星上降落，并在降落的过程中，测量了大气温度的分布情况， 火星大气压的情况。火星上有干涸的河床，有流水冲击的特征，这表明在过去有过大量的水。那么，火星上有没有生命呢？海盗号飞船作了几种实验，结果表明没有光合作用产生的物质交换，火星大气和表层物质中没有有机分子。摄像机监视了火星上有无生命活动的迹象，结果令人失望。可以这么说，火星表面现在没有生命，或者更严格的说，没有与地球上类似的生命。

    人们不仅对火星感兴趣，也对火星的两个卫星感兴趣。在1988年，7月7日和7月12日，前苏联发射了火卫飞船1号和2号绕火卫一飞行并着陆。

    到最近几年，随着科技的飞速发展，人们可望在下世纪初直接登上火星进行实地考察，彻底弄清火星生命问题。因为它是太阳系中最有可能存在生命的星球。在人类踏上火星之前，将进行一系列的准备。

    1993年美国"火星观察者"探测器在进入环绕火星的轨道之后，与地球失去联系，导致计划失败。

    1996年12月，美国又发射了"火星探路者"探测器，经过7个月的星际飞行，在火星的阿瑞斯平原着陆。火星探路者携带了一个六轮小车，可以在火星的表面漫游，因而叫做火星漫游者，价值2500万美元。它分析了火星岩石和土壤。照片证实了海盗号的结论，火星上曾发生过大洪水。

    1996年11月美国发射了"火星全球勘测者"，在绕火星的轨道上研究火星表面、大气和磁场的情况。它还向地球发射无线电波，经过火星大气后到达地球，由此了解火星大气的温度、引力和化学组成。

    1999年1月3日，火星极地着陆器发射成功。然而，在飞行了11个月并登陆到火星上以后，就与地面失去了联系，宣告了这次航天活动的失败。

    欧洲空间局计划于2003年发射"火星快车"探测器考察火星，这标志着欧洲空间局在行星探测方面跨入了新纪元。它将由轨道器和着陆器组成。轨道器上有一个着陆器通信包用于支持国际上在2003年至2007年间开展的火星探测活动。

    从火星再向外，就是行星之中的庞然大物-木星了。美国的"先驱者10号"1973年12月4日在木星附近飞过，传来了木星和木卫的照片。它最后在1983年越过海王星轨道后成为飞出太阳系的第一个人造天体。接着，"先驱者11号"、"旅行者1号"、"旅行者2号"也相继飞越木星和木卫。在旅行者飞船拍摄的木星黑夜半球的图象上可以看到极光。有趣的是，在木卫一上发现了正在喷发的火山，喷发的高度达到30公里， 速度是每秒几百米到1公里。伽利略号飞船观测的结果显示木卫二和木卫四表面之下存在液态水海洋，有可能有生命存在，这无疑是一个令人兴奋的消息。

    "旅行者"飞船还发现了土星有射电辐射，频率在3千赫到1.2兆赫之间。1986年1月，"旅行者2号"飞船又测出天王星的自转轴和磁轴有很大的交角，达60度。飞船还拍摄了天王星卫星的照片，然后又拜访了海王星，发回了照片。

    值得一提的是，"先驱者"10号、11号携带了相同的地球名片-镀金铝板，上面有一男一女的裸像，以及太阳与九大行星位置的图象，同时表明它是从太阳系中第三颗行星上飞出去的。"旅行者"1号和2号探测器，各自带有一套"地球之声"的唱片，唱片上有照片、60种语言的问候语、35种各类声音和音乐。其中包括中国长城和中国人家宴的照片，粤语、厦门话和客家话，音乐中有中国的"流水"。人类希望有朝一日它们能被"外星人"收到。

    宇宙飞船不仅仅用于对太阳系内的大行星及卫星进行近距离观察。1985－1986年哈雷彗星回归过程当中，有5艘飞船对它进行了近距离观测，有许多令人惊奇的发现。例如，哈雷彗星的核并非人们想象的球状，而是椭球状，气体和尘埃从核的表面几个活动区域喷出。

    欧洲空间局计划对7个短周期彗星进行空间探测。它们是"深空1号"（DS1）计划、"星尘"计划、"等高线"计划、"罗塞塔"计划、"深空4号"（DS4）计划。其中DS1和DS4计划是与美国国家宇航局合作的。

    于1998年10月发射的"深空1号"飞船，将飞越小行星3352号McAuliffe、火星、以及威尔逊－哈林顿彗星。飞船与彗星将于2000年6月相遇。DS1将以约15公里/秒的速度距彗核约500公里处飞过，对彗发、彗核进行观测。它首次采用了离子发动机。

    "星尘"在1999年2月发射，飞向怀尔德－2彗星，并将首次带回珍贵的彗星样品。

    "罗塞塔"将于2003年发射，对Wirtanen彗星及其环境进行长达近两年的仔细研究。9年之后，飞船与彗星相遇，总重20公斤的仪器将降落在彗星表面。这些仪器将采掘彗星表面和近表面样品进行研究，并用声波法探测彗星内部结构，研究周围等离子体与太阳风相互作用等。

    "深空4号"飞船将于2003年4月发射，于2005年12月进入环绕Tempel 1彗星的轨道，并于2006年4月将着陆器送上彗星表面作实验。最后，将彗星表面下不同深度的物质分装在3个不受外界影响的密封金属罐内，由着陆器的上半部将样品送回飞船。飞船于2010年5月将样品送回地球。

    宇宙飞船不仅频频远征，在近距离的地球轨道上也有许多卫星在为人类执行不同的任务。例如，通讯卫星及时传播世界上的讯息，资源卫星为人们寻找矿藏，气象卫星使天气预报更准确，军事卫星却使现代战争延伸到了太空。在1981年发射了世界上第一颗红外天文卫星。对于天文学上有重要意义的事件是1990年4月25日由美国"发现"号航天飞机送入太空的哈勃空间望远镜(HST)。它的目的是探测宇宙深空，了解宇宙起源和各种天体的性质和演化。尽管HST耗资21亿美元，但对天文学特别是天体物理学的推动是巨大的。在空间放置望远镜可以摆脱大气的干扰，没有大气消光的问题，同时因为没有大气，设计的望远镜可以达到衍射极限。它的镜面不受重力的影响，不会变形，望远镜有极高的分辨率。它是人类的千里眼，探索宇宙奥秘的利器。

    以上提及的主要是美国和俄罗斯在航天领域取得的成就，那么，我国的情况是怎样的呢？

    我国在航天领域也有举世瞩目的成就。中国老一代航天科技工作者发扬中华民族勤劳智慧的传统美德，坚持独立自主、艰苦奋斗的方针，研制出了"长征一号"火箭，于1970年4月24日在酒泉发射了我国第一颗人造地球卫星-东方红1号，从此进入了航天大国的行列。

    建国50年来，我国航天工业取得了长足的进步。让我们来简要回顾我国的航天历史吧。1964年7月19日，成功发射了一枚生物火箭。1966年10月27日，导弹核武器发射试验成功。1975年11月26日，发射了一颗返回式人造卫星，3天后卫星按预定计划返回地面。这使得我国成为世界上第三个掌握卫星返回技术的国家。1980年远程运载火箭发射成功。2年以后，潜艇水下发射运载火箭获得成功。1984年4月8日，我国第一颗地球静止轨道试验通信卫星发射成功。1986年2月1日，我国发射了一颗实用通信广播卫星。20日，卫星定点成功。这标志着卫星通信进入实用阶段。1988年9月7日，中国发射了一颗试验气象卫星"风云1号"。这是我国自行研制和发射的第一颗极地气象卫星。1990年4月7日，我国的"长征3号"火箭把美国制造的"亚洲一号"通信卫星送入预定轨道，取得了为国外发射卫星的成功。中国载人航天工程1992年启动。1999年11月20日，在酒泉卫星发射中心用运载火箭发射了"神舟号"试验飞船，21日在内蒙古安然着陆，为我国的载人航天事业迈出了重要一步。载人航天技术是航天领域中技术难度最大的，在此之前，只有美国和俄罗斯掌握该项技术。在2010年以前，我们的宇宙飞船将有可能访问月球。2020年左右，我们将建立自己的空间站。然而，在取得累累硕果的同时，我们应该清醒地看到与美、俄两国存在差距，特别在星际探索领域有较大差距。我们期待我国航天工业再接再厉，创造新的辉煌！

    到目前为止，人类只登上了月球，这不能不说是一个小小的遗憾。展望21世纪，人类将插上科技的翅膀，在更加广阔的宇宙空间纵横驰骋！

    宇宙及其组成和结构 
 
    "宇宙是有限的还是无限的？有没有中心有没有边？有没有生老病死有没有年龄？"这些恐怕是自从有人类的活动以来一直被关心的问题。为了有一个更清楚的答案，让我们先来看看它的组成和结构吧。宇宙中的天体绚丽多彩，表现出了极高的层次性。

    (1) 行星

    我们居住的地球是太阳系的一颗大行星。太阳系一共有九颗大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。除了大行星以外，还有60多颗卫星、为数众多的小行星、难以计数的彗星和流星体等。他们都是离我们地球较近的，是人们了解的较多的天体。那么，除了这些以外，茫茫宇宙空间还有一些什么呢？

    (2) 恒星和星云

    晴夜，我们用肉眼可以看到许多闪闪发光的星星，他们绝大多数是恒星，恒星就是象太阳一样本身能发光发热的星球。我们银河系内就有1000多亿颗恒星。恒星常常爱好"群居"，有许多是"成双成对"地紧密靠在一起的，按照一定的规律互相绕转着，这称为双星。还有一些是3颗、4颗或更多颗恒星聚在一起，称为聚星。如果是十颗以上，甚至成千上万颗星聚在一起，形成一团星，这就是星团。银河系里就发现1000多个这样的星团。

    在恒星世界中还有一些亮度会发生变化的星-变星。它们有的变化很有规律，有的没有什么规律。现在已发现了2万多颗变星。有时侯天空中会突然出现一颗很亮的星，在两三天内会突然变亮几万倍甚至几百万倍，我们称它们为新星。还有一种亮度增加得更厉害的恒星，会突然变亮几千万倍甚至几亿倍，这就是超新星。

    除了恒星之外，还有一种云雾似的天体，称为星云。星云由极其稀薄的气体和尘埃组成，形状很不规则，如有名的猎户座星云。

    在没有恒星又没有星云的广阔的星际空间里，还有些什么呢？是绝对的真空吗？当然不是。那里充满着非常稀薄的星际气体、星际尘埃、宇宙线和极其微弱的星际磁场。随着科学技术的发展，人们必定可以发现越来越多的新天体。

    (3) 银河系及河外星系

    随着测距能力的逐步提高，人们逐渐在越来越大的尺度上对宇宙的结构建立了立体的观念。这里第一个重要的发展，是认识了银河。它包含两重含义，一是了解了银河的形状，二是认识了河外天体的存在。

    银河系是太阳所属的一个庞大的恒星集团，约包括1011颗恒星。这种恒星集团叫星系。银河系中大部分恒星分布成扁平的盘状。盘的直径为25kpc（千秒差距，1秒差距＝3.26光年＝3.09亿亿米），厚度约为2kpc。盘的中心有一球状隆起，称为核球。盘的外部由几条旋臂构成。太阳位于其中一条旋臂上，距离银心约7kpc。银盘上下有球状的延展区，其中恒星分布较稀疏，称为银晕。晕的总质量约占整体的10%，直径约为30kpc。我们的太阳，就其光度，质量和位置讲，都只是银河系中一个极普通的成员。

    此外重要的是，并非天穹上一切发光体都是银河系的一部分。设想有一个类似银河系的恒星集团，处于500kpc的距离上（银河自身大小为30kpc）。其表观亮度与2pc远处一颗类似太阳的恒星是一样的。因此对天穹上的某个光点，只有测定它的距离，才能区分它是银河系内的恒星还是银河系外的另一个星系。实际上，天穹上的大多数光点是银河系的恒星，但也有相当大量的发光体是与银河系类似的巨大恒星集团，历史上曾被误认为是星云，我们称它们为河外星系，现在已知道存在1000亿个以上的星系，著名的仙女星系、大小麦哲伦星云就是肉眼可见的河外星系。星系的普遍存在，表明它代表宇宙结构中的一个层次，从宇宙演化的角度看，它是比恒星更基本的层次。

    星系的质量差别很大。银河系的质量约为1011M⊙(太阳质量单位)。在明亮的星系中，这是典型的大小。质量很小的星系太暗，不易看到。小星系的质量可低达106M⊙。星系的典型尺度为几十千秒差距。若对视星等在23等以内的星系作统计，星系总数在109以上。

    20世纪60年代以来，天文学家还找到一种在银河系以外象恒星一样表现为一个光点的天体，但实际上它的光度和质量又和星系一样，我们叫它类星体，现在已发现了数千个这种天体。

    (4) 星系团

    当我们把观测的尺度再放大，宇宙可看成由大量星系构成的"介质"，而恒星只是星系内部细致结构的表现。这样，为了了解宇宙结构，需关心星系在空间的分布规律。

    星系的空间分布不是无规的，它也有成团现象。上千个以上的星系构成的大集团叫星系团。大约只有10%星系属于这种大星系团。大部分星系只结成十几、几十或上百个成员的小团。可以肯定的是，星系团代表了宇宙结构中比星系更大的一个新层次。这层次的尺度大小为百万秒差距，平均质量是星系平均质量的100倍。

    (5) 大尺度结构

    今天人们把10Mpc以上的结构称为宇宙的大尺度结构（目前观测到的宇宙的大小是104Mpc）。至今大尺度上的观测事实远不是十分明确的。有趣的是，有迹象表明，星系在大尺度上的分布呈泡沫状。即有许多看不到星系的"空洞"区，而星系聚集在空洞的壁上，呈纤维状或片状结构。这一层次的结构叫超星系团。它的典型尺度为几十兆秒差距。

    从演化理论来考虑，尺度大到一定程度，应不再有结构存在。这是否符合事实，以及这尺度多大，都是十分重要，并需要有大尺度观测来回答的问题。现今对宇宙在50Mpc以上是否还有显著的结构现象存在，正是人们热烈争论中的焦点。

    总之，若把星系看成宇宙物质的基本单元，那么星系的分布状况就是宇宙结构的表现。现在看来，直至50Mpc的尺度为止，星系的分布呈现有层次的结构。这就是我们对宇宙面貌的基本认识。

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